FOTOVOLTAİK SİSTEMLERİN ŞEBEKEYE UYARLANMASINDA YAŞANAN ENERJİ KALİTE SORUNLARININ GİDERİLMESİ İÇİN MATLAB GUI TABANLI SİMÜLATÖR TASARIMI Ali Fuat BOZ 1, Meti DOĞAN 2 1 Sakarya Üiversitesi, Tekoloji Fakültesi, Elektroik-Bilgisayar Mühedisliği Bölümü 2 Abat İzzet Baysal Üiversitesi, Bolu MYO, Elektrik ve Eerji Bölümü afboz@sakarya.edu.tr, metidoga@ibu.edu.tr Özet So yıllarda arta eerji ihtiyacıa fosil yakıtlar dışıda alteratif kayak arayışları hız kazamıştır. Bu kayaklarda biriside Güeş Eerjisidir. Temiz bir eerji kayağı olması ve isalık var olduğu sürece bizlere eşlik edecek olması e büyük avatajları arasıdadır. Birkaç düya ülkesie güeş tarlası kurulumu yapa şirketler so zamalarda Türkiye de de bazı yörelerde bu sistemleri kurmaya başlamışlardır. Bua paralel olarak da, güeş paellerii üretimleri hızla artmaya başlamıştır. Rüzgâr eerjiside olduğu gibi güeş eerjiside de elde edile eerjii şebekeye uyarlamasıda frekas ve gerilim temel alıarak sürekli, kaliteli ve ucuz bir eerji hedefi bulumaktadır. Kalite problemleri çözümüde birçok yötem kullaılmıştır. Bu çalışmada, fotovoltaik sistemleri yapısıda bulua eviricii eerji verimii artırması adıa, yarıiletke aahtarları aahtarlama tekiğii geliştirilmesi amaçlı tasarlaa simülatör ele alıacaktır. Aahtar Kelimeler: Yeileebilir Eerji, Eerji Kalitesi, Fotovoltaik, IGBT, GUI. Giriş Elektrik eerjisi talebii karşılaması kadar ou kalitesii de artırılması gereklidir. Bugü, güç kalitesi çalışmaları ile özellikle de yeileebilir eerji kayakları ile epey meşgul olumaktadır [1]. Eerji kalitesi, sayıları oldukça fazla ola problemleri ve buda daha çok sayıda çözümleri kapsaya epey karmaşık bir koudur. Bu çözümler şebekelerde uygulamakla birlikte eerjii yoğu olarak kullaıldığı pek çok sistemde eerji kaliteside kayaklaa sorular hale yaşamaktadır. Çözüm içi tek bir yolu etkili olması beklememelidir. Daha evvel yaşaa eerji kalite problemleri dikkate alıarak, problem tam olarak alaşılmalı ve çözüm alteratifleri birlikte değerledirilmelidir [2]. Literatürde yapıla çalışmalara göre; a) Hibrid fotovoltaik sistem ile yel değirmei klasik bir şebekeye bağlamış, harmoikleri yok ede tek seviyeli bir ivertörle desteklemiştir. Çok seviyeli ivertör ile kapalı dögü bulaık matık deetleyici kullaarak harmoikler düşürülmüştür [3]. b)yeileebilir eerji kayaklarıda değişke gerilimli DC kayaklar içi güç elektroiğie dayalı gerilim kayaklı ivertör uygulamaları alatılmıştır. Gerilim kayaklı ivertör esasları tarif edilmiş, aahtarlama stratejileri ve sistem yapıladırmaları, bezetim ve deeysel souçlarla aaliz edilmiştir. Çalışmada geliştirile çözümleri, fotovoltaik aygıtlar ve diğer yeileebilir eerji kayaklarıda farklı ölçeklerde uygulaabileceği ifade edilmiştir [4]. c) Sürekli güç üretimi içi fotovoltaik, yakıt hücresi ve ultra-kapasitör sistemleri etegrasyou üzeride durulmuştur. Alteratif eerji kayakları ile hibrid bir güç sistemi tasarlamış ve souç olarak geliştirile sistem ve ou kotrol stratejisi gü boyu ve daha uzu sürelerde yapıla simülasyolarda mükemmel bir performas ortaya koymuştur [5]. d)gerilim kararlılığı içi yapıla aalizde, iyileştirmei yapılmadığı sistemlerdeki yüklerde artış olduğuda, eerjide kararsızlık ve gerilim çökmesi ortaya çıkacağı vurgulamıştır. Sistemde yapıla iyileştirmeler soucuda daha sağlıklı bara gerilimi elde edilmiş ve olumsuz durumlara karşı daha güveli bir çalışma olacağı soucua varılmıştır [6]. e) Eerji kalitesi adıa hat empedası stabilizasyo ağı devresi rezoas aalizi yapılmış, deeysel souçlarla kıyaslamıştır. Teorik aaliz ve simülasyo souçlarıa göre harmoik soruu ve AC sürücüler 224
içi bu devrei uygulama performasıı çok iyi olduğu vurgulamıştır [7]. f) Yapıla çalışmada eerji kalitesi ile ilgili terimler ve gücel koular ve eerji kalitesie etki ede bileşeler taıtılmış, problemler ve buları iyileştirilmesie döük ölemler alatılmıştır. Souçta, UPS satı alıması, yedek jeeratör kullaımı, aktif güç filtresi kullaımı vb. ölemler uygulaa bazı çözümler olarak gösterilmiştir [2]. Yapıla bu çalışmada ise 100 bireyli, 30 deeyli, 250 esile sahip, başlagıç popülasyo değerleri rastgele seçile bir problemi çözümü ve bu çözümde bulua aahtarlama açılarıı sistem üzerie etkileri aaliz edilmiştir. Souçları klasik yötemlere göre çok daha hızlı ve başarılı olduğu görülmüştür. Fotovoltaik modüller uygulamaya bağlı olarak, akümülatörler, ivertörler, akü şarj deetim aygıtları ve çeşitli elektroik destek devreleri ile birlikte kullaılarak bir fotovoltaik sistemi oluştururlar. Bu sistemler, geçmiş zamalarda sadece yerleşim yerleride uzak, elektrik şebekesi olmaya yörelerde, jeeratöre yakıt taşımaı zor ve pahalı olduğu durumlarda kullaılırke, artık şebeke bağlatısı ola yerleşim yerleride de şebeke bağlatılı olarak evleri çatılarıa ve büyük ölçekli satral uygulamalarıda da kullaımı oldukça yaygılaşmıştır. Buu dışıda dizel jeeratörler ya da başka güç sistemleri ile birlikte karma olarak kullaılmaları da mümküdür. Fotovoltaik Sistem Güeş eerjisi, güeşi çekirdeğide yer ala füzyo süreci ile (hidroje gazıı helyuma döüşmesi) açığa çıka ışıma eerjisidir. Düya atmosferii dışıda güeş eerjisii şiddeti, yaklaşık olarak 1370 W/m² değeridedir, acak yeryüzüe ulaşa miktarı atmosferde dolayı 0-1100 W/m2 değerleri arasıda değişim gösterir. Bu eerjii düyaya gele küçük bir bölümü dahi, isalığı mevcut eerji tüketimide kat kat fazladır. Güeş eerjiside yararlama kousudaki çalışmalar özellikle 1970'lerde sora hız kazamış, güeş eerjisi sistemleri tekolojik olarak ilerleme ve maliyet bakımıda düşme göstermiş, çevresel olarak temiz bir eerji kayağı olarak kedii kabul ettirmiştir. Düya ile Güeş arasıdaki mesafe 150 milyo km'dir. Düya'ya güeşte gele eerji, Düya'da bir yılda kullaıla eerjii 20 bi katıdır. Güeş ışıımıı tamamı yer yüzeyie ulaşamaz, %30 kadarı atmosfer tarafıda geriye yasıtılır. Güeş ışıımıı %50'si atmosferi geçerek düya yüzeyie ulaşır. Bu eerji ile Düya'ı sıcaklığı yükselir ve yeryüzüde yaşam mümkü olur. Rüzgâr hareketlerie ve okyaus dalgalamalarıa da bu ısıma ede olur. Güeşte gele ışıımıı %20'si atmosfer ve bulutlarda tutulur. Yer yüzeyie gele güeş ışıımıı %1'de azı bitkiler tarafıda fotosetez olayıda kullaılır. Bitkiler, fotosetez sırasıda güeş ışığıyla birlikte karbodioksit ve su kullaarak, oksije ve şeker üretirler. Fotosetez, yeryüzüde bitkisel yaşamı kayağıdır. Güeş, ükleer eerji dışıdaki bütü eerjileri dolaylı veya direkt kayağıdır [8]. Basitçe fotovoltaik (photovoltaic; PV) sistemleri de diğer elektrik üretim sistemlerie bezer olarak çalışır. Sadece kulladıkları ekipmalar değişiktir. Sistemi operasyoel ve foksiyoel ihtiyaçlarıa bağlı olarak DC-AC evirici, akü, şarj kotrol üitesi, yedek güç kayağı ve kotrolör gibi ekipmalara ihtiyaç duyulabilir [9]. Şekil 1. Şebekede Bağımsız Fotovoltaik Sistem Şekil 1 de görüldüğü gibi şebekede bağımsız sistemlerde yeterli sayıda fotovoltaik modül, eerji kayağı olarak kullaılır. Güeşi yetersiz olduğu zamalarda ya da özellikle gece süresice kullaılmak üzere geellikle sistemde akümülatör buludurulur. Fotovoltaik modüller gü boyuca elektrik eerjisi üreterek buu akümülatörde depolar, yüke gerekli ola eerji akümülatörde alıır. Aküü aşırı şarj ve deşarj olarak zarar görmesii egellemek içi kullaıla deetim birimi ise aküü durumua göre ya fotovoltaik modüllerde gele akımı ya da yükü çektiği akımı keser. Şebeke uyumlu alteratif akım elektriğii gerekli olduğu uygulamalarda, sisteme bir ivertör ekleerek akümülatördeki DC gerilim, 220V. gelikli, 50 Hz. frekaslı siüs dalgasıa döüştürülür. Bezer şekilde, uygulamaı şeklie göre çeşitli destek elektroik devreler sisteme katılabilir. Bazı sistemlerde, fotovoltaik modülleri maksimum güç oktasıda çalışmasıı sağlaya maksimum güç oktası izleyici cihazda buluur [8]. [8] umaralı referasta alıa Şekil 2 ye göre, so yıllara ait düya geelide kurulu gücü değişimi gösterilmiştir. Arta eerji talebii gü geçtikçe arttığı gözlemektedir. 225
tasarlamıştır. Bu arayüz sayeside birey sayısı, toplam deey adedi, esil sayısı, optimize edilecek parametre sayısı, sıır değerleri hızlı ve rahat bir şekilde ataabilecek, ayrıca başlagıç değerleri ve bir öceki değerleri kaydedilmesi sağlaacak, elde edile e iyi souç ekraa yasıtılıp kaç iterasyoda sağladığı, geçe süre, excel e aktarma vb. işlemler çok basite idirgemiş olacaktır. Şekil 2. Düya Geelide PV Kurulu Güç Değişim Ögörüsü Geliştirile Simülatör Bu aşamada, IGBT leri aahtarlama açılarıı optimize etme amaçlı MATLAB GUI tabalı geliştirile simülatörde ve bu simülatör içi hesaplaacak parametreleri elde edileceği formüllerde bahsedilecektir. Teorik olarak, siüsoidal olmaya periyodik dalga formu, Fourier aalizi ile harmoik dalga formua döüşebilir. Bu edele, siüzoidal olmaya gerilim ve akım dalga formu aşağıdaki gibi ifade edilebilir: Şekil 3. Program Arayüzü-1 v 2 1 0 si (1) 0 2 2 I1 si0t I si 0t (2) 2 t V si t V t t i Formülde; V 1, I 1 temel gerilim ve akım,, V, I, ici harmoik bileşeii gerilim ve akımı,, sırayla ici harmoik bileşeii gerilim ve, akımıı faz açıları, Ve 0 ise temel dalgaı radya ciside frekasıdır. 3 fazlı bir asekro motora siüs olmaya bir gerilim uyguladığıda, ici harmoiğe karşılık gele kayma şu şekilde ifade edilebilir [10]; S N t 1 sn 1 s N s s (3) Elde edile formüller m-file içerisideki foksiyoa aktarılmada öce program arayüzü (Şekil 3, Şekil 4) Şekil 4. Program Arayüzü-2 Simülatörü pecereside verileri hesaplaması içi optimizasyou başlat butoua basmak yeterli olacaktır. Her deeyde başlagıç değerleri farklı seçilse bile her seferide tüm foksiyolar ve kodlamaları tekrar yazmaya gerek kalmada souçlar ayrı ayrı elde edilip kayıt altıda tutulabilecek ve ayı ada excel e ve grafik çizdirme alt arayüzüe kaydedilecek, veriler grafikle ifade edilebilecektir. 226
Örek bir çalışmaı adım adım icelemesi: GUI başlatılır, Şekil 3 deki görütü gelir. Şekil 4 de probleme ait değişkeler girilir. Öceki başlagıç değerlerii kullaılıp kullaılmayacağı seçilir, sıır değerleri ve varsa yei probleme ait foksiyo (her deey içi tekrarlamasıa gerek yoktur) girilir. İcelemek istediğiiz değer seçilir. Simülasyo başlatılır. Simülasyo souçlarıı çizdirme pecereside (Şekil 5) isteile değer ve zama aralığı seçilir ve çizdir butoua basılır. Şekil 7. Tetikleme Açı Bilgilerii, Hazırlaa Simulik Modelie Girilmesi Tüm bu işlemlerde sora FFT aalizi ile aşağıdaki grafik elde edilmiştir; Şekil 5. Grafik Çizdirme Peceresi Örekte elde edile değerlerle yapıla simülasyoda fotovoltaik sistemi AC çıkışıdaki gerilim aşağıdaki gibi elde edilir. Şekil 8. Evirici Çıkışı FFT Aalizi Ve so olarak yarıiletke aahtarlar içi gerekli ola siyal de şu şekilde elde edilmiştir; Şekil 6. Fotovoltaik Sistemi AC Çıkışıdaki Gerilim So olarak sistemde elde edilip SIMULINK ortamıdaki modele aktarıla souç değerlerii gözlemleme ve deey amaçlı kişisel data girmek içi kullaıla pecere aşağıdaki gibidir. Şekil 9. PWM Siyali 227
Souç Güeş eerji sistemlerii şebekeye bağlamaları eerji kalitesi adıa gerilimde dalgalama, çökme, frekasta istemeye değişimler ve harmoikler gibi çeşitli problemlere ede olabilmektedir. Eviriciler hem kedileri bir harmoik kayağı olması hem de uyguladığı sisteme harmoik ejekte etmesi sebebiyle, güeş eerji sistemii kurulum aşamasıda sora yarıiletke elemaları eerji kalitesii artırması içi e iyi tetikleme açısıı tespiti çok öem arz etmektedir. Aşırı aahtarlamada aahtarlama kayıpları artacak, düşük aahtarlamada ise isteile eerji kalitesi elde edilemeyecektir. İşte bu problemleri çözümü içi evirici tasarımıa hazırlık alamıda geliştirile bu simülatör, kullaıcılar açısıda çok kullaışlı bir arayüze sahiptir. Bu sayede gerekli giriş parametrelerii rahatlıkla probleme ve amaca yöelik atayabilecekler ve e iyi tetikleme açılarıı elde edebileceklerdir. Simülatör hesaplama iceliği ve zama bakımıda büyük kolaylık sağlamaktadır. Problemi veya foksiyoları karmaşıklığıı aalize etkisi olmamaktadır. Hazırlaa bu programı e büyük avatajı tek pecere üzeride bütü verileri girilip souçları görülebilmesi, aalizi yapılabilmesi ve raporlaabilmesidir. Simülatör daha da geliştirilip elde edile veriler direkt olarak deey yapılacak veya simüle edilecek modülleri girişie etegre edilebilir. [5] Uzuoglu, M., Oar, O.C., Alam, M.S. Modelig, cotrol ad simulatio of a PV/FC/UC based hybrid power geeratio system for stad-aloe applicatios. Sciece Direct, Reewable Eergy, vol. 34, pp. 509-520, 2009. [6] Doğa, M., Döşoğlu, M. K., Made, D., Tosu, S., Öztürk, A., Ivestigatio of the Best Placemet for Voltage Stability by STATCOM. Electrical ad Electroics Egieerig (ELECO), pp. 117-121, 2011. [7] Gulez, K., Pastaci, H., Uzuoglu, M., Mutoh, N., Source Curret Type Active Filter N-Dimetio Matrix Applicatio i AC Drives. SICE Aual Coferece, pp. 369-374, 2003. [8] eie.gov.tr, T.C. Eerji ve Tabii Kayaklar Bakalığı, Yeileebilir Eerji Geel Müdürlüğü web sitesi, Mart 2013. [9] bilgiustam.com, Mart 2013. [10] Lee, C. Y., Lee, W. J., Wag, Y. N., Gu, J. C. Effects of voltage harmoics o the electrical ad mechaical performace of a three phase iductio motor. IEEE Idustrial ad commercial power systems techical coferece, pp. 88-94, 1998. Referaslar [1] Uzuoglu, M., Harmoics ad voltage stability aalysis i power systems icludig thyristorcotrolled reactor. Sadhaa, vol. 30, part 1, pp. 57 67, 2005. [2] Özdemir, E., Elektrik Eerji Kalitesi. TMMOB Elektrik Mühedisleri Odası III. Eerji Verimliliği ve Kalitesi Sempozyumu, pp. 280-285, 2009. [3] Ilakkia, T., Vijayagowri, G., Hybrid Pv/Wid System For Reductio Of Harmoics Usig Artificial Itelligece Techique. IEEE- Iteratioal Coferece O Advaces I Egieerig, Sciece Ad Maagemet (ICAESM). Pp. 303-308, 2012. [4] Che, Z., Spooer, E., Voltage source iverters for high-power, variable-voltage DC power sources. IEE Proceedigs, Geeratio, Trasmissio ad Distributio, vol. 148, pp. 439-447, 2001. 228